專利名稱：一種天然氣管道泄漏光纖檢測系統(tǒng)的抗相位衰落方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種天然氣管道泄漏光纖檢測系統(tǒng)的抗相位衰落方法和系統(tǒng)。涉及機(jī)械振動(dòng)的測量、沖擊的測量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，世界上建成的管道總長達(dá)到250萬公里，已經(jīng)超過鐵路總里程成為世界能源主要運(yùn)輸方式，發(fā)達(dá)國家和中東產(chǎn)油區(qū)的油品輸運(yùn)已全部實(shí)現(xiàn)管道化。我國管道在近年也得到了較快發(fā)展，總長也超過7萬公里，已初步形成橫跨東西、縱貫?zāi)媳薄⒏采w全國、連通海外的能源管網(wǎng)大格局，管道運(yùn)輸成為油氣等戰(zhàn)略能源的調(diào)配輸送的主要方式。管道由于跨越地域廣，受自然災(zāi)害、第三方施工破壞等原因，導(dǎo)致了較多的管道泄漏事故發(fā)生。國外管道安全情況也非常不容樂觀，美國2010年9月9日圣布魯諾市發(fā)生天然氣管道大爆炸，爆炸在路面造成一個(gè)長51米、寬9米的大坑。一段長約8米、直徑76厘米的管道被炸上天，飛出大約30米遠(yuǎn)，并引發(fā)大范圍火災(zāi)，導(dǎo)致4人死亡，3人失蹤，至少52人受傷，過火面積4公頃，數(shù)十樁房屋被燒毀。近年來人們安全、環(huán)保意識顯著提升，作為高危行業(yè)的管道輸運(yùn)安全問題也得到越來越多的重視。目前成熟的技術(shù)中對于天然氣管道泄漏監(jiān)測只有聲波監(jiān)測法較為有效，但為了提高對泄漏監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和漏點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性，必須在管線上加大傳感器的布設(shè)密度，同時(shí)增加相應(yīng)的供電、通信設(shè)備，造成系統(tǒng)成本以及安裝維護(hù)費(fèi)用高昂。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展國外如美國CS1、ATM0S1、歐洲TER等公司開展了 SCADA泄漏監(jiān)測系統(tǒng)研究，Sensornet公司也開發(fā)了基于分布式光纖溫度傳感器的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，部分產(chǎn)品在國內(nèi)也申請了專利保護(hù)；國內(nèi)天津大學(xué)、清華大學(xué)、中國人民解放軍后勤工程學(xué)院等單位也對管道的泄漏監(jiān)測方法做了深入研究。專利CN200410020046. 6公開了一種基于干涉原理的分布式光纖油氣管道泄漏監(jiān)測方法及監(jiān)測裝置。該監(jiān)測系統(tǒng)要求在管道附近沿管道并排鋪設(shè)一根光纜，利用光纜中的光纖組成一個(gè)光纖微振動(dòng)傳感器。專利CN200620119429、CN200610113044. 0均為基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏監(jiān)測裝置，專利CN200610072879. 6是一種基于分布式光纖聲學(xué)傳感技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測裝置及方法?！秱鞲衅髋c微系統(tǒng)》第26卷第7期的“基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄漏檢測方法”公開了一種基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄漏檢測裝置和方法，它是在具有一定間隔的管道本體上安裝光纖傳感器，連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測沿管道本體傳播的振動(dòng)波信號，對采集的振動(dòng)波信號進(jìn)行分析處理，包括類型識別和振動(dòng)源定位，其中類型識別為通過對振動(dòng)波特征的提取分析判別其是否屬于泄漏類型，同時(shí)根據(jù)振動(dòng)波傳播到相鄰幾個(gè)光纖傳感器的時(shí)間延遲結(jié)合振動(dòng)波在管道本體上的傳播速度確定振動(dòng)波源所在的位置，傳感器輸出的光強(qiáng)信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的位置的確定。CN1837674A公開了一種基于分布式光纖聲學(xué)傳感技術(shù)的管道泄漏檢測裝置及方法。US2006/0225507A1公開了一種基于分布式光纖傳感器的管道泄漏檢測裝置及方法。上述技術(shù)均屬于分布式光纖傳感監(jiān)測方法。但該類技術(shù)監(jiān)測泄漏時(shí)受到管道周圍所發(fā)生的干擾事件的影響，具有很高的系統(tǒng)虛警率，抗干擾能力較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種能有效地消除相位衰落引起的靈敏度和信噪比不穩(wěn)定現(xiàn)象、實(shí)現(xiàn)對泄漏信號的可靠檢測的天然氣管道泄漏光纖檢測系統(tǒng)的抗相位衰落方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是提供一種基于光纖傳感的高靈敏度準(zhǔn)分布式泄漏振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)， 使得可以在管道發(fā)生微漏、滲漏等泄漏初級階段時(shí)，可以被及時(shí)監(jiān)測到并產(chǎn)生報(bào)警，使得相關(guān)維護(hù)人員采取應(yīng)對措施，避免造成更大的安全事件。具有較高泄漏振動(dòng)傳感靈敏度的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)是通過增加干涉儀兩傳感臂的長度和空間距離從而實(shí)現(xiàn)了干涉儀對振動(dòng)信號的感應(yīng)靈敏度的提高，在對環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)干擾的抑制方面采用了泄漏信號的智能識別技術(shù)，有效區(qū)分了隨機(jī)偶發(fā)振動(dòng)和突發(fā)性、持續(xù)性泄漏信號，并且結(jié)合相鄰的多個(gè)傳感器同時(shí)獲取的泄漏信號時(shí)延，更加準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了泄漏點(diǎn)的定位。利用與油氣管道同溝敷設(shè)的普通通信光纜中的光纖作為發(fā)射和回傳光纖，將管道泄露光纖傳感器通過光復(fù)用技術(shù)相互并聯(lián)接在發(fā)射和回傳光纖之間，形成光回路，管道泄露光纖傳感器安裝在管道上，形成可監(jiān)測管道泄露聲波的光纖傳感系統(tǒng)。利用光源對各個(gè)管道泄露光纖傳感器掃描，根據(jù)管道泄露光纖傳感器的分布情況對采集的光電轉(zhuǎn)換信號解調(diào)、提取，實(shí)現(xiàn)各個(gè)管道泄露光纖傳感器的振動(dòng)信息獲取，檢測分析管道泄露光纖傳感器信號判斷是否有管道泄露事件發(fā)生，依據(jù)相鄰的管道泄露光纖傳感器檢測到信號的到達(dá)時(shí)間延遲實(shí)現(xiàn)對泄露點(diǎn)的定位。天然氣管道泄漏光纖檢測系統(tǒng)的抗相位衰落方法是在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)的傳感器，由若干個(gè)傳感器通過光分束器和合束器并聯(lián)接在發(fā)射光纖和回傳光纖之間；基于鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制的激光器作為光源，以及不等臂長的邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀作為傳感器，在干涉儀信號中產(chǎn)生近似單頻的余弦信號載波，使用與載波信號同頻的余弦和正弦信號對載波信號進(jìn)行解調(diào)，得到原始泄漏聲波信號。采用光纖邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀作為泄漏聲波檢測傳感器，其輸出的光強(qiáng)信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可以寫成V0 1+Vcos (4) s+ 4)n+ 4) 0) +Vn (I)其中，Vtl是輸出的電壓信號，V是干涉儀的可視度，Vn是電路附加噪聲，^為由水聲波引起的相差信號，即為要探測的泄漏聲波信號，00為干涉儀的初始相位，是個(gè)常量，
為位相差的低頻漂移，是一個(gè)不確定量，隨溫度和外界環(huán)境影響而變化。式(I)中，由于低頻干擾隨機(jī)變化，且幅度大，受變化影響，系統(tǒng)輸出的信噪比在變化，且當(dāng)SincK = 0時(shí)，信號完全消隱，此即稱為干涉儀的相位衰落現(xiàn)象。
為了消除相位衰落現(xiàn)象，采用相位載波技術(shù)來檢測泄漏聲波信號。具體如下制作邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀時(shí)，使干涉儀兩臂不等長，兩臂長差為AL；將鋸齒波或倒鋸齒波信號作為調(diào)制信號，頻率至少為泄漏聲波頻帶寬度的兩倍，作用到光頻可調(diào)的激光器，激光器輸出光頻按照鋸齒波調(diào)制信號同步變化的激光，輸入到邁克耳遜干涉儀，由于兩臂不等長，通過兩臂的激光將產(chǎn)生時(shí)延差，從而參與干涉的兩束激光除了在鋸齒波下降沿處外，其他時(shí)刻的光頻差均為一個(gè)常數(shù)，因此，干涉儀輸出的干涉信號為一個(gè)近似單頻的余弦信號，角頻率Qtl與干涉儀兩臂長差A(yù)L成正比，AL越大，干涉信號頻率越高；使用帶通濾波器對干涉信號進(jìn)行濾波，濾波器中心頻率為干涉信號中心頻率，帶寬與鋸齒波調(diào)制信號頻率相同；濾波之后即可獲得該干涉儀的載波信號，按照如下方法解調(diào)可消除信號的相位衰落問題，獲得原始泄漏聲波信號。
傳感器載波信號的解調(diào)原理見圖6，干涉信號輸出接帶通濾波，帶通濾波輸出一路與cosf^G^t)相相乘后接第一低通濾波，該低通濾波輸出接第一微分電路，另一路與sin(co0t)相接，相乘后接第二低通濾波，該低通濾波輸出接第二微分電路；第一微分電路輸出與第二低通濾波輸出相接，相乘后再與第二微分電路輸出與第一低通濾波輸出相接，相乘后再相接，相減后依次經(jīng)積分、高通濾波，輸出聲波信號。本天然氣管道泄漏檢測傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)的構(gòu)成見圖1，它包括光源、光路系統(tǒng)和電路部分；在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)光纖傳感器，相鄰的多個(gè)光纖傳感器構(gòu)成一個(gè)光纖傳感器組，各光纖傳感器組共用一根發(fā)射光纖與光源連接，每個(gè)光纖傳感器組使用一根回傳光纖與光電探測器連接；光電探測器輸出接包括泄漏信號識別電路和事件定位電路的信號采集與處理模塊，信號采集與處理模塊輸出通過外部接口接微機(jī)。由光源發(fā)出激光，經(jīng)傳輸光路實(shí)現(xiàn)分束后，部分光被傳輸?shù)桨惭b在管道壁上的光纖傳感器組，光纖傳感器組拾取沿管道傳播的泄漏振動(dòng)信號以及噪聲后，再次經(jīng)傳輸光路傳回至系統(tǒng)的光電探測器，由信號采集與處理模塊進(jìn)行泄漏信號解調(diào)與識別分析，并對泄漏信號進(jìn)行時(shí)延估計(jì)實(shí)現(xiàn)對泄漏點(diǎn)的定位。所述光纖傳感器采用光纖邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀，干涉儀兩臂不等長，兩臂長差為AL;所述信號采集與處理模塊包括信號調(diào)理單元、信號采集單元、處理單元、終端顯示和外部接口 ；光電探測器輸出依次串接信號調(diào)理單元、信號采集單元和處理單元；所述光源采用光頻可調(diào)的激光器，使用調(diào)制信號模塊產(chǎn)生所需的鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號，施加到激光器上可輸出光頻按照調(diào)制信號波形規(guī)律變化的連續(xù)激光；光源由光頻可調(diào)的激光器和專用調(diào)制信號發(fā)生模塊構(gòu)成(見圖4);調(diào)制信號發(fā)生模塊中產(chǎn)生的信號通過DA輸出，接激光器調(diào)制信號輸入端；調(diào)制信號發(fā)生模塊輸出信號有頻率調(diào)節(jié)、幅度調(diào)節(jié)和鋸齒波/倒鋸齒波選擇輸入；使用調(diào)制信號模塊產(chǎn)生所需的鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號，通過調(diào)制信號發(fā)生模塊中的D/A輸出，施加到激光器上可輸出光頻按照鋸齒波或倒鋸齒波規(guī)律變化的連續(xù)激光;其中光源調(diào)制電路如圖5所示，它主要由運(yùn)算放大器U7、DFB激光器U8、運(yùn)算放大器U9和2個(gè)三極管Q4、Q5組；U7的7端接VDC，6端接電阻R18后與二極管D8、電容C41串聯(lián)后與電容C38并聯(lián)的電路再串聯(lián)，6端接電阻R19后接VDC，同時(shí)再接二極管D4、D5、D6、D7的串聯(lián)到地，4、7、8、9、10端接地，3端經(jīng)電阻R17后接地，2端與接U8的端；U8的1、14端接地，12端經(jīng)電容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端經(jīng)扼流圈L3與電阻R20串聯(lián)后接三極管Q4的集電極，同時(shí)3端經(jīng)扼流圈L3與電阻R21串聯(lián)后接三極管Q5的集電極；U9的1、2端之間并聯(lián)電阻R22和電容C39后由I端接電阻R25到6端，Pdne接電阻R30再串聯(lián)電阻R27接U9的3端，同時(shí)接Pdne的電阻R30與電位器阻R31、電阻R32、電容C43三者并聯(lián)后串聯(lián)接地，5端經(jīng)電阻R24接VREF，7端經(jīng)電阻R28與8端經(jīng)電阻R26共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經(jīng)二極管D11、D12至Q4的基極，同時(shí)基極接電容C44到地，同時(shí)經(jīng)二極管DlO與電阻R29串聯(lián)也到地，Q4的基極接Q5的基極，而Q4、Q5的發(fā)射極接地；所述光路系統(tǒng)是在管道上每隔一定距離安裝一個(gè)邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀作為管道泄漏聲波傳感器，同時(shí)激光器發(fā)出的激光通過與管道同溝敷設(shè)光纜內(nèi)的一根光纖傳輸(稱為發(fā)射光纖)，激光到達(dá)每個(gè)傳感器附近時(shí)，通過光分束器分為兩束，一束激光注入傳感器輸入端，另一束激光通過發(fā)射光纖傳到下一個(gè)傳感器，以此類推；每2-10個(gè)相鄰的傳感器分為一組，組內(nèi)各傳感器的干涉信號通過光合束器接入回傳光纖，傳回到設(shè)備接收端；管道上相鄰的兩個(gè)傳感器之間的發(fā)射光纖和回傳光纖的長度均要大于激光器相干長度的1/2，長度不足的用光纖補(bǔ)足，以防止傳感器之間發(fā)生信號串?dāng)_；每個(gè)傳感器組使用一根回傳光纖，這樣整個(gè)傳感光路需要一根發(fā)射光纖，回傳光纖數(shù)量與傳感器組數(shù)量相同；由于每組內(nèi)的傳感器的臂長差不同，相鄰傳感器之間的發(fā)射光纖、回傳光纖長度均大于激光器相干長度的1/2，可保證組內(nèi)各傳感器輸出干涉信號的頻率各不相同，組內(nèi)傳感器之間不發(fā)生干涉；所述信號采集與處理模塊包括信號調(diào)理單元、信號采集單元、處理單元、終端顯示和外部接口 ；光電探測器輸出的信號依次串接信號調(diào)理單元、信號采集單元和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口 ；其中信號處理單元主要實(shí)現(xiàn)信號解調(diào)，事件識別與定位等功能。光電轉(zhuǎn)換模塊將各傳感器組的干涉光信號轉(zhuǎn)換為電信號，每個(gè)傳感器組對應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換通道；信號采集和處理模塊采集各傳感器組的干涉信號為數(shù)字信號，由于組內(nèi)各干涉儀信號載波頻率不同，且各干涉儀之間不發(fā)生干涉，也就是各干涉儀信號之間沒有串?dāng)_，可通過帶通濾波的方法將組內(nèi)各傳感器的載波信號徹底分離；帶通濾波獲得各傳感器的載波信號后，通過相位載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)，解調(diào)出原始泄漏聲波信號；分析相鄰兩個(gè)傳感器檢測到的泄漏聲波信號的時(shí)延差，結(jié)合聲波在管道中傳輸速度，可實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的定位；所述信號采集與處理模塊的構(gòu)成見圖8，它包括信號調(diào)理單元、信號采集單元、處理單元、顯示終端和外部接口 ；其中調(diào)理單元電路如圖9所示，它主要由運(yùn)算放大器U14、光電二級管U15組成；U15的1、5、8端懸空，3、4端接地，2端經(jīng)電阻R39、電容C60 二者并聯(lián)后接6端，6端經(jīng)電阻R43接U14的3端，7端接U14的8端；U14的4端接地，5端懸空，6、7端共接AD_VINI，I端接AD_OUT 口，2端經(jīng)電阻R42接地，1、2端之間接電阻R40、電容C59
二者的并聯(lián)。其中傳感器載波信號的解調(diào)原理框圖見圖6，干涉信號輸出接帶通濾波，帶通濾波輸出一路與COS(COdt)相接(相乘)后接第一低通濾波，該低通濾波輸出接第一微分電路，另一路與Sin(C^t)相接，相乘后接第二低通濾波，該低通濾波輸出接第二微分電路；第一微分電路輸出與第二低通濾波輸出相接，相乘后再與第二微分電路輸出與第一低通濾波輸出相接，相乘后再相接，相減后依次經(jīng)積分、高通濾波，輸出聲波信號。利用與油氣管道同溝敷設(shè)的普通通信光纜中光纖分別作為發(fā)射和回傳光纖，將管道泄漏光纖傳感器通過光復(fù)用技術(shù)相互并聯(lián)接在收發(fā)傳輸光纖之間，形成光回路， 管道泄漏光纖傳感器均勻布設(shè)在管道沿線，形成可監(jiān)測管道泄漏振動(dòng)的光纖傳感系統(tǒng)。利用光源對各個(gè)管道泄漏光纖傳感器掃描，基于法拉第旋轉(zhuǎn)鏡法，實(shí)現(xiàn)傳感器組及組內(nèi)各傳感器的干涉信號的抗偏振衰落，提高并穩(wěn)定了傳感器及傳感器組干涉信號的可視度和信噪比，使用光電轉(zhuǎn)換模塊將各傳感器組的干涉光信號轉(zhuǎn)換為電信號，每個(gè)傳感器組對應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換通道，由信號采集和處理模塊采集各傳感器組的干涉信號為數(shù)字信號，并可通過帶通濾波的方法將組內(nèi)各傳感器的載波信號徹底分離，通過相位載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)，解調(diào)出原始泄漏振動(dòng)波信號；分析相鄰幾個(gè)傳感器檢測到的泄漏振動(dòng)波信號的時(shí)延差，結(jié)合振動(dòng)波在管道中傳輸速度，可實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的定位。應(yīng)用多傳感器復(fù)用調(diào)制解調(diào)技術(shù)從而大大提高了傳感器組內(nèi)傳感器的復(fù)用數(shù)量，減少了光纖的使用數(shù)量，在保持系統(tǒng)檢測效果的前提下，降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本。本發(fā)明基于鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制的激光器作為光源，以及不等臂長的邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀作為傳感器，在干涉儀信號中產(chǎn)生近似單頻的余弦信號載波，使用與載波信號同頻的余弦和正弦信號對載波信號進(jìn)行解調(diào)，得到原始泄漏聲波信號，可以有效地消除相位衰落引起的靈敏度和信噪比不穩(wěn)定的問題，實(shí)現(xiàn)對泄漏信號的可靠檢測。


圖1光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)圖2天然氣管道泄漏檢測的傳感光路連接示意3邁克耳遜干涉儀結(jié)構(gòu)示意4光頻可調(diào)型光源的調(diào)制原理5光源調(diào)制電路6泄漏振動(dòng)波解調(diào)原理框7光路適配器結(jié)構(gòu)和傳輸光路8信號采集與處理模塊結(jié)構(gòu)9信號采集與處理模塊中信號調(diào)理單元電路圖其中I，1-1，. . .，1-n-光分束器 2, 2-1, . . . , 2_n_ 光纖傳感器3，3-1，. . .，3-n-光合束器4，5，6，7，8，9_ 延時(shí)光纖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例本例的構(gòu)成如圖1和圖2所示，它包括光源、光路系統(tǒng)和電路部分；在管道本體上每隔1. 5km安裝一個(gè)光纖傳感器，共計(jì)安裝10個(gè)傳感器，前5個(gè)傳感器和后5個(gè)傳感器分別構(gòu)成一個(gè)傳感器組，各光纖傳感器組共用一根發(fā)射光纖與光源連接，每個(gè)光纖傳感器組使用一根回傳光纖與光電探測器連接；光電探測器輸出接包括泄漏信號識別和事件定位功能的信號采集與處理模塊，所述信號采集與處理模塊包括信號調(diào)理單元、信號采集單元、處理單元、終端顯示和外部接口 ；光電探測器輸出的信號依次串接信號調(diào)理單元、信號采集單元和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口。信號采集與處理模塊輸出通過外部接口接微機(jī)。經(jīng)信號采集與處理模塊的處理，基于頻分復(fù)用方式混合的傳感器組信號實(shí)現(xiàn)了傳感器組內(nèi)各傳感器的解復(fù)用，獲得原始泄漏振動(dòng)波信號。傳感器采用邁克耳遜結(jié)構(gòu)的干涉儀，每個(gè)干涉儀使用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角度為45度的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為反射鏡。本實(shí)施例制作了 10個(gè)邁克耳遜干涉儀傳感器，分為兩組，每組5個(gè)傳感器，臂長差分別為5m、7. 5m、10m、12. 5m、15m ；將兩組傳感器按照圖2并聯(lián)接在發(fā)射光纖和回傳光纖之間，兩個(gè)傳感器組共用一根發(fā)射光纖，各獨(dú)立使用一根回傳光纖；從發(fā)射光纖注入光頻隨鋸齒波變化的激光，從回傳光纖用光電轉(zhuǎn)換模塊接收傳感器組干涉信號，使用帶通濾波器對干涉信號濾波，獲得各傳感器的載波信號。通過試驗(yàn)可知，傳感器組和濾波后的傳感器載波信號幅度穩(wěn)定不變，解調(diào)后的傳感器信號穩(wěn)定，信噪比聞且保持穩(wěn)定。所述光源是一種調(diào)制解調(diào)的專用光源系統(tǒng)，由光頻可調(diào)的激光器和專用調(diào)制信號發(fā)生模塊構(gòu)成(見圖4);調(diào)制信號發(fā)生模塊采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，即通過數(shù)字方式根據(jù)波型、信號幅度、頻率參數(shù)計(jì)算獲得一個(gè)周期的調(diào)制信號片斷，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)方式輸出，輸出的模擬調(diào)制信號連接到激光器上，其中通過參數(shù)配置選擇鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號類型，可調(diào)整設(shè)置信號幅度、直流偏置和頻率；調(diào)制信號發(fā)生模塊輸出的鋸齒波或倒鋸齒波信號要求幅度最大為±5V，頻率最大為200KHz ;調(diào)制后的激光器輸出光頻隨調(diào)制信號波形同步變化的激光，輸入到傳感光路中，可實(shí)現(xiàn)傳感器的復(fù)用、形成多個(gè)傳感器的信號載波；其中光源調(diào)制電路如圖5所示，它主要由運(yùn)算放大器U7、DFB激光器U8、運(yùn)算放大器U9和2個(gè)三極管Q4、Q5組;U7的7端接VDC，6端接電阻R18后與二極管D8、電容C41串聯(lián)后與電容C38并聯(lián)的電路再串聯(lián)，6端接電阻R19后接VDC，同時(shí)再接二極管D4、D5、D6、D7的串聯(lián)到地，4、7、8、9、10端接地，3端經(jīng)電阻R17后接地，2端與接U8的端；U8的1、14端接地，12端經(jīng)電容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端經(jīng)扼流圈L3與電阻R20串聯(lián)后接三極管Q4的集電極，同時(shí)3端經(jīng)扼流圈L3與電阻R21串聯(lián)后接三極管Q5的集電極；U9的1、2端之間并聯(lián)電阻R22和電容C39后由I端接電阻R25到6端，Pdne接電阻R30再串聯(lián)電阻R27接U9的3端，同時(shí)接Pdne的電阻R30與電位器阻R31、電阻R32、電容C43三者并聯(lián)后串聯(lián)接地，5端經(jīng)電阻R24接VREF，7端經(jīng)電阻R28與8端經(jīng)電阻R26共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經(jīng)二極管D11、D12至Q4的基極，同時(shí)基極接電容C44到地，同時(shí)經(jīng)二極管DlO與電阻R29串聯(lián)也到地，Q4的基極接Q5的基極，而Q4、Q5的發(fā)射極接地；
所述信號采集與處理模塊的構(gòu)成見圖8，它包括信號調(diào)理單元、信號采集單元、處理單元、顯示終端和外部接口 ；其中調(diào)理單元電路如圖9所示，它主要由運(yùn)算放大器U14、光電二級管U15組成；U15的1、5、8端懸空，3、4端接地，2端經(jīng)電阻R39、電容C60 二者并聯(lián)后接6端，6端經(jīng)電阻R43接U14的3端，7端接U14的8端；U14的4端接地，5端懸空，6、7端共接AD_VINI，I端接AD_0UT 口，2端經(jīng)電阻R42接地，1、2端之間接電阻R40、電容C59二者的并聯(lián)；其中運(yùn)算放大器U14選AD8572，光電二級管U15選0PA380AID。本例光源采用光頻可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器作為光源，所加調(diào)制信號為頻率10kHz、幅度±1. 4V的鋸齒波信號，加到激光器上；傳感光路使用兩組邁克耳遜干涉儀結(jié)構(gòu)的傳感器并聯(lián)接在發(fā)射光纖和回傳光纖之間，傳感器組輸出的干涉信號頻譜主要由40kHz、60kHz、80kHz、IOOkHz、120kHz五條譜線構(gòu)成；使用上述五個(gè)頻率為中心頻率、帶寬均為IOkHz的帶通濾波器對傳感器組信號進(jìn)行濾波，得到各傳感器的載波信號，對應(yīng)的主頻率分別為40kHz,60kHz,80kHz, IOOkHz, 120kHz ;對各載波信號分別使用同頻的余弦和正弦信號進(jìn)行解調(diào)，獲得各傳感器對應(yīng)的的原始模擬泄漏聲波信號；在每個(gè)傳感器的一個(gè)臂上串聯(lián)一個(gè)PZT相位調(diào)制器，施加幅度為0. 5V、頻率為2kHz的余弦信號作為模擬泄漏聲波信號，通過上述方法解調(diào)出的信號為2kHz的余弦信號，通過長時(shí)間監(jiān)測，各傳感器解調(diào)的信號幅度穩(wěn)定，說明本發(fā)明的抗相位衰落方法有效，可以實(shí)現(xiàn)泄漏信號的穩(wěn)定檢測。本例經(jīng)多次試驗(yàn)，證明了本發(fā)明中針對傳感器組和組內(nèi)傳感器的抗相位衰落技術(shù)是有效的，大大提高了系統(tǒng)檢測信號的靈敏度和穩(wěn)定性，從而也提高了傳感器組內(nèi)傳感器的復(fù)用數(shù)量，降低了復(fù)用成本。
權(quán)利要求
1.一種天然氣管道泄漏光纖檢測系統(tǒng)的抗相位衰落方法，其特征是在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)的傳感器，各傳感器通過光分束器和合束器并聯(lián)接在發(fā)射光纖和回傳光纖之間；相鄰多個(gè)傳感器構(gòu)成一個(gè)傳感器組，每個(gè)傳感器組使用一根獨(dú)立的回傳光纖傳輸給光電探測器；基于鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制的激光器作為光源，以及不等臂長的邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀作為傳感器，在干涉儀信號中產(chǎn)生近似單頻的余弦信號載波，使用與載波信號同頻的余弦和正弦信號對載波信號進(jìn)行解調(diào)，得到原始泄漏聲波信號； 采用光纖邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀作為泄漏聲波檢測傳感器，其輸出的光強(qiáng)信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可以寫成 V0 1+Vcos ( φ s+ φ η+ φ 0) +Vn 其中，Vtl是輸出的電壓信號，V是干涉儀的可視度，Vn是電路附加噪聲，為由水聲波引起的相差信號，即為要探測的泄漏聲波信號，Φο為干涉儀的初始相位，是個(gè)常量，小 為位相差的低頻漂移，是一個(gè)不確定量，隨溫度和外界環(huán)境影響而變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏光纖檢測系統(tǒng)的抗相位衰落方法，其特征是具體方法如下 作為傳感器的邁克耳遜或馬赫-曾德干涉儀的兩臂不等長，兩臂長差為AL ; 將鋸齒波或倒鋸齒波信號作為調(diào)制信號，調(diào)制信號頻率至少為泄漏聲波頻帶寬度的兩倍，作用到光頻可調(diào)的激光器，激光器輸出光頻按照鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號同步變化的激光，輸入到邁克耳遜或馬赫-曾德干涉儀；各干涉儀輸出的干涉信號為一個(gè)近似單頻的余弦信號，角頻率Qci與干涉儀兩臂長差A(yù)L成正比，Λ L越大，干涉信號頻率越高；每個(gè)傳感器組的信號多個(gè)近似單頻余弦信號的疊加； 使用帶通濾波器對傳感器組信號進(jìn)行濾波，濾波器中心頻率為各傳感器的干涉信號中心頻率，帶寬與鋸齒波調(diào)制信號頻率相同；濾波之后即可獲得各傳感器的載波信號；使用與載波信號主頻率同頻的余弦信號和正弦解調(diào)，獲得原始泄漏聲波信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然氣管道泄漏光纖檢測系統(tǒng)的抗相位衰落方法，其特征是所述載波信號解調(diào)方法是干涉信號輸出接帶通濾波，獲得傳感器載波信號，載波信號一路與COS(COcit)相乘后接第一低通濾波，該低通濾波輸出接第一微分電路，另一路與Sin(Ocit)相接，相乘后接第二低通濾波，該低通濾波輸出接第二微分電路；第一微分電路輸出與第二低通濾波輸出相接，相乘后再與第二微分電路輸出與第一低通濾波輸出相接，相乘后再相接，相減后依次經(jīng)積分、高通濾波，輸出聲波信號。
4.一種使用權(quán)利要求1所述方法的一種天然氣管道泄漏檢測傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是它包括光源、光路系統(tǒng)和電路部分；在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)光纖傳感器，相鄰的多個(gè)光纖傳感器構(gòu)成一個(gè)光纖傳感器組，各光纖傳感器組共用一根發(fā)射光纖與光源連接，每個(gè)光纖傳感器組使用一根回傳光纖與光電探測器連接；光電探測器輸出接包括泄漏信號識別電路和事件定位電路的信號采集與處理模塊，信號采集與處理模塊輸出通過外部接口接微機(jī)； 由光源發(fā)出激光，經(jīng)傳輸光路實(shí)現(xiàn)分束后，部分光被傳輸?shù)桨惭b在管道壁上的光纖傳感器組，光纖傳感器組拾取沿管道傳播的泄漏振動(dòng)信號以及噪聲后，再次經(jīng)傳輸光路傳回至系統(tǒng)的光電探測器，由信號采集與處理模塊進(jìn)行泄漏信號解調(diào)與識別分析，并對泄漏信號進(jìn)行時(shí)延估計(jì)實(shí)現(xiàn)對泄漏點(diǎn)的定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種天然氣管道泄漏檢測傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是所述光源由光頻可調(diào)的激光器和專用調(diào)制信號發(fā)生模塊構(gòu)成；調(diào)制信號發(fā)生模塊通過D/A輸出接激光器調(diào)制信號輸入端；調(diào)制信號發(fā)生模塊輸出信號有頻率調(diào)節(jié)、幅度調(diào)節(jié)和鋸齒波/倒鋸齒波選擇輸入； 使用調(diào)制信號模塊產(chǎn)生所需的鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制信號，通過調(diào)制信號發(fā)生模塊中的D/A輸出施加到激光器上，輸出光頻按照鋸齒波或倒鋸齒波規(guī)律變化的連續(xù)激光。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種天然氣管道泄漏檢測傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是調(diào)制信號發(fā)生模塊的光源調(diào)制電路主要由運(yùn)算放大器U7、DFB激光器U8、運(yùn)算放大器U9和2個(gè)三極管Q4、Q5組;U7的7端接VDC，6端接電阻R18后與二極管D8、電容C41串聯(lián)后與電容C38并聯(lián)的電路再串聯(lián)，6端接電阻R19后接VDC，同時(shí)再接二極管D4、D5、D6、D7的串聯(lián)到地，4、7、8、9、10端接地，3端經(jīng)電阻R17后接地，2端與接U8的端；U8的1、14端接地，12端經(jīng)電容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端經(jīng)扼流圈L3與電阻R20串聯(lián)后接三極管Q4的集電極，同時(shí)3端經(jīng)扼流圈L3與電阻R21串聯(lián)后接三極管Q5的集電極；U9的1、2端之間并聯(lián)電阻R22和電容C39后由I端接電阻R25到6端，Pdne接電阻R30再串聯(lián)電阻R27接U9的3端，同時(shí)接Pdne的電阻R30與電位器阻R31、電阻R32、電容C43三者并聯(lián)后串聯(lián)接地，5端經(jīng)電阻R24接VREF，7端經(jīng)電阻R28與8端經(jīng)電阻R26共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經(jīng)二極管D11、D12至Q4的基極，同時(shí)基極接電容C44到地，同時(shí)經(jīng)二極管DlO與電阻R29串聯(lián)也到地，Q4的基極接Q5的基極，而Q4、Q5的發(fā)射極接地。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種天然氣管道泄漏檢測傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是所述光路系統(tǒng)是在管道上每隔一定距離安裝一個(gè)邁克耳遜或馬赫-曾德結(jié)構(gòu)的干涉儀作為管道泄漏聲波傳感器，同時(shí)使用與管道同溝敷設(shè)光纜內(nèi)的一根稱為發(fā)射光纖的光纖傳輸激光器發(fā)出的激光，激光到達(dá)每個(gè)傳感器附近時(shí)，通過光分束器分為兩束，一束激光注入傳感器輸入端，另一束激光通過發(fā)射光纖傳到下一個(gè)傳感器，以此類推；管道上多個(gè)相鄰的傳感器分為一組，組內(nèi)各傳感器的干涉信號通過光合束器接入回傳光纖，傳回到設(shè)備接收端；管道上相鄰的兩個(gè)傳感器之間的發(fā)射光纖和回傳光纖的長度均要大于激光器相干長度的1/2 ； 每個(gè)傳感器組使用一根回傳光纖，回傳光纖數(shù)量與傳感器組數(shù)量相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種天然氣管道泄漏檢測傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是所述信號采集與處理模塊包括信號調(diào)理單元、信號采集單元、處理單元、終端顯示和外部接口 ；光電探測器輸出依次串接信號調(diào)理單元、信號采集單元和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種天然氣管道泄漏檢測傳感器組的抗相位衰落系統(tǒng)，其特征是所述信號調(diào)理單元的電路主要由運(yùn)算放大器U14、光電二級管U15組成；U15的1、5、8端懸空，3、4端接地，2端經(jīng)電阻R39、電容C60 二者并聯(lián)后接6端，6端經(jīng)電阻R43接U14的3端，7端接U14的8端；U14的4端接地，5端懸空，6、7端共接AD_VINI，I端接AD_OUT 口，2端經(jīng)電阻R42接地，1、2端之間接電阻R40、電容C59 二者的并聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明是一種天然氣管道泄漏光纖檢測系統(tǒng)的抗相位衰落方法和系統(tǒng)。涉及機(jī)械振動(dòng)的測量、沖擊的測量和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。它是在管道本體上每隔一定距離安裝一個(gè)邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)的傳感器，各傳感器通過光分束器和合束器并聯(lián)接在發(fā)射光纖和回傳光纖之間；基于鋸齒波或倒鋸齒波調(diào)制的激光器作為光源，以及不等臂長的邁克耳遜干涉儀或馬赫-曾德干涉儀作為傳感器，在干涉儀信號中產(chǎn)生近似單頻的余弦信號載波，使用與載波信號同頻的余弦和正弦信號對載波信號進(jìn)行解調(diào)，得到原始泄漏聲波信號。本發(fā)明能有效地消除相位衰落引起的靈敏度和信噪比不穩(wěn)定的問題、實(shí)現(xiàn)對泄漏信號的可靠檢測。
文檔編號F17D5/02GK102997048SQ20111027194
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者張金權(quán), 王小軍, 焦書浩, 侯志相, 王贏, 方德學(xué), 張俊楊, 程云濤, 于立成, 黃現(xiàn)玲 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司, 中國石油天然氣管道局